基于MEMS陀螺仪及压电微摆镜的光机电联合稳像技术

针对光电平台抖动造成图像平移和旋转导致图像模糊的问题,研究了一种基于MEMS陀螺仪和压电微摆镜的光机电联合稳像实验系统,主要包括MEMS陀螺仪及控制器、压电微摆镜及控制系统和上位PC机后处理系统等。通过位于可见光摄像机上的MEMS陀螺仪及控制器的Kalman滤波获取当前帧相对参考帧的旋转角度,PC机同步采集摄像机的视频图像并计算出图像旋转量进行补偿;采用二维灰度投影法对图像二维偏移量进行估计,分离意向运动和随机抖动,得到抖动偏移量,控制成像光路中的压电陶瓷微摆镜进行光机补偿校正;进一步结合参考图像采用数字稳像方法进行第2次偏移量补偿,实现了对偏移量的大范围和高精度校正,得到清晰图像。实验表明:该系统对角度的稳像精度小于0.4°,对二维平移的补偿精度达到1个像素,图像帧频达到25 fps,可对存在平移和旋转的抖动图像进行有效的校正。     

基于数据加权融合的wMPS系统定向方法

为了提高室内空间测量定位系统(wMPS)的定向 精度,提出了一种数据加权融合实现wMPS 各发射站间定向的新方法。方法引入激光跟踪仪控制场三维坐标约束和wMPS发射站光平 面约束,将测 量不确定度转化为权重进行优化分配,推导了误差传递函数,将摄影测量中的坐标系转换方 法用于单个 wMPS发射站与全局坐标系间的坐标转换初值的计算,最终建立数据加权融合的定向数学模 型并实现解算。 仿真表明,利用本文方法,定向平移量误差在0.09mm以内,用四元 数表示的旋转角误差在2.4＂以内。 按照本文方法定向后的系统,在8m×5m×4m的范围内进行实验,点位测量精度优于0.21mm,基准尺长比 对精度优于0.1mm。实验表明,本文方法与传统的利用已知控制点进 行定向的方法相比,定向精度得到了明显提高。     

一种检测光刻机激光干涉仪测量系统非正交性的新方法

提出一种精确检测光刻机激光干涉仪测量系统非正交性的新方法.将对准标记曝光到硅片表面并进行显影;利用光学对准系统测量曝光到硅片上的对准标记理论曝光位置与实际读取位置的偏差;由推导的位置偏差与非正交因子、坐标轴尺度比例、过程引入误差的线性模型,根据最小二乘原理计算出干涉仪测量系统的非正交性.实验结果表明,利用该方法使用同一硅片在不同旋转角下进行测量,干涉仪测量系统非正交因子的测量重复精度优于0.01μrad,坐标轴尺度比例的测量重复精度优于0.7×10-6.使用不同的硅片进行测量,非正交因子的测量再现性优于0.012μrad,坐标轴尺度比例的测量再现性优于0.6×10-6.     

基于旋转平均补偿算法的旋转非对称面形绝对检测

旋转法是一种用于获得被测面旋转非对称面形的绝对检测技术。旋转平均补偿算法是在N次等间隔旋转的基础上增加一次不同角度的旋转测量,称为N+1次旋转法。通过附加的一次旋转测量,采用泽尼克多项式拟合求解旋转平均法的丢失面形。推导了理论计算公式,仿真分析了存在旋转角度和偏心误差时,补偿算法的有效性以及附加旋转角度对补偿面形计算精度的影响。验证实验的结果与仿真相符,表明在选择合适的附加角度之后,该算法可有效补偿丢失信息。与旋转平均法相比,只需增加一次旋转,就能得到更完整的面形,极大地提高了检测效率和精度,实验中补偿率达到61%,检测精度提高了约1倍。     

一种实时测量中畸变数字校正方案

为了提高光电检测系统对激光目标点的测量精度,设计了由11个等距离激光目标点组成的畸变检测装置.根据测量得到的系统畸变变化情况,拟合出实时测量时目标点在线阵CCD上成像位置的补偿方程.在确定补偿方程时,分别进行了一次线性方程、二次方程、三次方程和四次方程拟合,并进行了理论分析和实验测试.在对焦距的30.01 mm的光学测量系统进行拟合测试时的结果表明,二次方程和三次补偿方程均可以满足测量要求,其中三次拟合方程补偿得到的像(误差为0.004 5 mm)略微优于二次拟合补偿效果(误差为0.005 3 mm),但实际工程测量中主要采用二次拟合方程来减小计算中误差传递,其中采用二次拟合方程补偿后即可使系统的测量精度从1.82%提高到0.07%.     

应用于稳像系统中的改进梯度光流法

由于传统的梯度光流法当运动不连续时运动场估计值与真实值有较大偏差,因而不能直接应用于稳像系统中。引入金字塔多分辨率分层技术对传统的梯度光流法进行改进。首先,在视频序列中选定细节丰富的区域作为计算区域;其次,利用结合金字塔多分辨率分层技术的光流法迭代求解相邻帧间的仿射参数;最后,采用帧间补偿方式,并增加控制累积错误传播的措施,在不丢失过多原有信息基础上,实现了长时间稳像。实验表明:改进的方法能够检测出剧烈的复杂抖动,并能达到旋转精度小于0.09、平移精度小于0.07个像素,缩放精度小于0.02的高精度估计,且补偿序列平均峰值信噪比值提高了2.36 dB以上。     

测量波片相位延迟量的新方法

提出了利用平面光波两次通过待测波片对其相位变化进行补偿来实现波片相位延迟量测量的新方法.利用MATLAB编程进行仿真计算,拟合了检测量接收光强的对比度与波片相位延迟量间的函数关系,拟合精度为10-4;建立了实验系统,实验验证了该测量方法是可行的,波片相位延迟量的重复测量精度为0.0020°.     

基于多视场波前传感的次镜位置误差检测方法

大口径分块式主镜空间对地遥感系统在轨工作时,次镜相对于主镜的位置失调会对系统像质产生影响,需对其进行在轨检测与校正。当分块式主镜无中心基准镜时,无法用传统的灵敏度矩阵反演法计算出次镜失调量。为此,提出了一种基于多视场波前传感信息计算次镜位置失调量的方法,采用ZEMAX软件建立了无中心基准的36分块式主镜空间对地遥感系统。针对该系统像差特点,利用不同视场的场依赖波前像差,建立了次镜失调量检测数学模型,开展了仿真研究,结果表明当波前传感误差为1/40（=632.8 nm）时,次镜位置失调量的检测精度X、Y方向平移约为30 nm,倾斜约为15;失调量检测动态范围X、Y方向平移为0~1.5 mm,倾斜为0~0.03。并通过多组实际仿真,验证了所提方法的可行性。     

基于光流法的多分辨率电子稳像算法

针对动载体摄像系统中视频序列受载体姿态运动及抖动的干扰而出现的不稳定现象,提出一种基于光流算法的多分辨率电子稳像算法。首先,通过划定有效的运动估算区域取代对整帧图像的计算以降低计算量;然后,利用基于光流算法的多分辨率分层运动估计快速并精确地计算出包含平移、旋转以及缩放运动的相邻帧间仿射变换参数;最后,采用固定帧补偿算法,利用求得的仿射变换参数,对图像进行运动补偿,消除或减轻图像序列帧间的随机抖动,达到稳像的目的。实验结果表明,针对包含运动目标的动态场景,该算法可以精确地检测出视频序列帧间平移、旋转以及缩放等复杂的抖动,水平和垂直方向的稳像精确度小于1pixel,保证视频序列的稳定输出,可应用于目标跟踪系统中。     

旋转平移法平面绝对检测的偏心误差修正

针对旋转平移法在检测过程中存在偏心误差的问题,提出一种基于三维面形的图像配准偏心误差修正方法.首先采用旋转平移绝对检测法获得旋转0°和旋转180°两个状态下被测镜的面形;然后利用三维面形数据构建相似度函数,实现被测镜面形在0°和180°状态下的配准,从而获得偏心误差.数值仿真计算结果表明,偏心误差修正前,残余面形的峰谷值为7.783 nm,均方根值为0.578 nm;偏心误差修正后,残余面形的峰谷值为0.034 nm,均方根值为0.004 nm.结果 表明该修正方法可行,可以有效提高旋转平移法的检测精度,为高精度光学元件面形的绝对检测提供重要参考.     

摆镜式激光通信终端光束指向与粗跟踪特性

基于两正交旋转轴的单平面镜（摆镜式）激光通信终端的粗跟踪问题,提出了一种求解光束指向的法矢量求解算法,给出了该类型通信终端的粗跟踪算法。采用矢量反射定律和矩阵旋转变换规律,理论推导了摆镜的光束指向模型和跟踪模型,对比分析了不同安装方式对光束指向和畸变的影响,并对模型分别进行了建模仿真和实验研究。结果表明:光束传输模型和粗跟踪模型的精度优于3 μrad,所研制的摆镜式激光终端粗跟踪精度,最大误差优于15.5 μrad (3σ),均方根误差优于10.5 μrad,满足激光通信终端对高精度粗跟踪的技术要求。该研究工作对摆镜式扫描系统的光束指向分析和激光终端粗跟踪具有借鉴意义。     

工件台方镜轻量化结构的拓扑优化设计

为满足工件台方镜的高模态及高轻量化的要求,在设计过程中充分考虑其材料的选择,并重点引入拓扑优化方法。依据变密度法建立SIMP模型,在方镜的特定约束工况下,以结构第1阶模态为设计约束,最小体积为设计目标进行迭代,得到了较好的轻量化结构。并对拓扑优化后的结构与常规结构进行了分析对比,结果表明:拓扑优化的结构第1阶模态为710.5 Hz,提高+4.5%。同时,在轻量化率上提高了+8.2%。因此,拓扑优化的结果要优于常规结构方式,体现出了拓扑优化方法在工件台结构设计过程中具有重要的实际应用价值。     

高复现性面形检测支撑装置研制

为提高面形检测的复现性,研制了一套检测支撑装置,配合高重复性干涉仪实现高复现性的面形检测,对该装置的复现性效果进行了仿真计算和实验验证。利用ANSYS软件仿真分析确定了各向干扰力对面形的影响,同时推导确定不同支撑方案所能实现的复现性。仿真分析结果表明,检测支撑方案最高能够实现均方根(RMS)误差优于30 pm的面形复现性结果。确定了最终检测支撑装置的结构形式,并在高重复性干涉仪上进行了面形复现性测试,测试结果表明,由检测支撑装置引起的面形复现性指标RMS优于70 pm,满足RMS为0.1 nm的复现性设计指标要求。     

Roll angle of autocollimator measurement method based on hollow cube corner reflector

In this paper, a method of measuring roll angle with hollow cube corner reflector (HCCR) is proposed. Firstly, the space coordinate vector relationship between the mirror and the autocollimator is established by using the Euler rotation relationship, and the structure of the HCCR is designed. Secondly, through the actual measurement of the HCCR reflector''s angle sensitivity, the specific formula of roll angle measurement is obtained. The experimental results show that the method can be used to measure the roll angle, and the maximum root mean square (RMS) error is 15" in the range of 350", and the repeatability of the experiment is better than 2.7". On the basis of retaining the traditional autocollimator, the plane mirror is replaced with HCCR, which realizes the measurement of the roll angle of the autocollimator. This method does not change the internal structure of the autocollimator system, and there is no process error caused by special processing technology, so as to retain the autocollimator''s own long measurement distance, high measurement accuracy, high system stability, and large range of measurement performance, and it can also be used in industrial production.     

Epi-film thickness measurements using emission Fourier transforminfrared spectroscopy. I. Sensor characterization

This paper reports the measurement of epitaxial silicon film thickness using a Fourier transform infrared spectrometer. The implementation and characteristics of emission Fourier transform infrared spectroscopy (E/FT-IR) for film thickness measurement are described. The limitation and robustness of the E/FT-IR technique, and its comparison to conventional FT-IR are reported in detail. Issues such as E/FT-IR's repeatability, reproducibility, the effect of vacuum window material and its coating, and the effect of wafer rotation, are evaluated. We find that good repeatability and reproducibility of the E/FT-IR technique can be achieved. The repeatability of the E/FT-IR technique in terms of standard deviation is 0.01 μm, in terms of coefficient of variation is about 0.1% for all wafer temperatures (550°C, 610°C, and 660°C). The window material, window stress, and its coatings do not affect the film thickness measurement as long as sufficient light intensity reaches the FT-IR detector. Additionally, when FT-IR thickness measurements are performed on a rotating wafer (with speeds up to 55 rpm), we find that only a small amount of noise is introduced, and a good measurement repeatability can still be maintained     

基于红外激光干涉仪的非球面面形测试技术研究

本文提出了一种基于红外激光干涉仪检测非球面面形的新方法,分为3个步骤:首先,利用红外激光干涉仪测量分析出非球面与标准球面之间的波像差;然后,根据非球面方程得出非球面与标准球面之间波像差的理论值;最后通过计算得出非球面的面形偏差。为验证这一方法的正确性和可靠性,采用ZYGO可见光干涉仪,使用补偿镜法测量了同一块抛物面反射镜的面形误差。结果表明,两种测量方法结果吻合。本新方法方便快捷,具有较强的通用性,可以用于非球面在加工过程中的面形测试。     

机载光电探测系统二级稳定控制分析

采用一种粗精二级稳定的新方法用于对机载光电探测系统视轴及图像进行高精度稳定。该方法的重要特征是采用快反镜和二级稳定控制来获取高工作带宽和对扰动的大幅度衰减。通过基于控制模型和扰动传递函数的建立,理论分析了二级稳定控制的补偿依据。通过仿真结果显示,二级稳定控制可有效提升系统稳定精度,达到设计指标要求。     

基于激光散斑角度相关法表面粗糙度测量

为了完成对精密机械表面粗糙度的精确测量,基于远场角度散斑强度的相关理论,采用激光散斑方法设计了表面粗糙度测量的实验光路。在实验光路中,将平面镜与待测粗糙表面固锁在一起,当转动待测粗糙表面时,平面镜与分束镜、接收屏组成了测量转动角度的光指针,提高了转动角度的测量准确度。在数据处理中,提出了基于MATLAB软件的角度散斑相关度峰值的计算方法,简化了测量步骤,提高了测量速度,进而利用相关度峰值计算求得表面粗糙度。利用设计和组建的系统对平铣表面粗糙度标准模块的表面粗糙度进行了实际测量,并对测量结果与标准样块的标称值进行比较,取得了较高的测量准确度。结果表明,此研究验证了激光散斑方法测量表面粗糙度的可行性,对进一步完善表面粗糙度的精密测量是有帮助的。